معرفی انواع موتور ها و مزايا و معایب هر كدام

مقدمه

موتورها بخش مهمی از ربات ها و اکثرتجهيزات اطراف ما رو تشکیل میدهند بنابراين ضرورى است كه به صورت كامل با اين اجزاى مهم آشنا شويم. ما در این جلسه سعی خواهیم کرد یک سری از موتورهای مهم رو بررسی کنیم.

نکته : دوست عزیز ، این جلسه یک جلسه کاملا عملی می باشد. اگر به دستگاه یا قطعه خاصی نیاز است ، حتما ابتدا آن دستگاه یا قطعه را تهیه کنید و گام به گام با جلسه پیش بروید. اگر هم محاسبات نیاز دارد ، خودتان قلم و کاغذ را بردارید و محاسبات را انجام دهید تا یک بار برای همیشه بتوانید الکترونیک را به خوبی یاد بگیرید.
معرفی مفاهیم لازم

يك موتور چگونه حركت مي كند؟

جواب اين سوال به يك مفهوم بنيادى گره مى خورد كه آشنايى با آن مى تواند بخش مهمى از سوال بالا را پاسخ دهد و آن هم مغناطيس است. در اينجا ما اين نيروى ساده را در يك ماشين شرح مى دهيم.

car

الکترومغناطیس

براي توضيح مغناطيس و ميدان مغناطيسى ما ابتدا بايد بدانيم چگونه توليد مي شود. ارتباط بين جريان و مغناطيس بر اساس قانون دست راست است. هنگامى كه يك جريان از درون يك سيم عبور مي كنيد يك ميدان مغناطيسى در اطراف سيم بوجود مى آيد كه در جهت بسته شدن انگشتان شما مى باشد. حالا اگر شما برعكس اين عمل را انجام دهيد يعنى اينكه يك سيم را از درون يك ميدان مغناطيسى عبور دهيد نيرويى بوجود مى آيد كه به نيروى لورنتز معروف است.

عبور جریان از سیم باعث ایجاد میدان مغناطیسی می شود.

چنانچه جريان درون سيم بيشتر شود ميدان مغناطيسى ناشى از آن نيز بيشتر مى شود. چنانچه بك سيم حامل جريان را به صورت حلقه در آوريم اين ميدان هاى مغناطيسى همديگر را تقويت مى كنند و يك شار مغناطيسى زيادى را باعث مى شوند.

افزایش شار مغناطیسی عبوری از یک سیم با حلقه کردن آن

حال اگر تعداد اين سيم ها را افزايش دهيم به راحتى مى توانيم يك ميدان مغناطيسى بسيار قوى بوجود آوريم:

افزایش تعداد حلقه ها = افزایش میدان مغناطیسی

موتورهای DC براش دار

اين موتورها ساده ترين نوع موتورها هستند كه در همه جا مى توان آن ها را يافت. اين موتورها ساختار ساده اى دارند و كنترل آنها هم بسيار ساده است.

نمای کلی از یک موتور DC

شكل زير قطعات باز شده يك موتور دي سي را نشان مي دهد.

اجزای داخلی یک موتور DC

همچنين در شكل زير اين اجزا به صورت يكجا نشان داده شده است.

ساختمان داخلی یک موتور DC

براى مطالعه جزئى تر موتورهاى دى سى به لينك زير مراجعه كنيد:

آشنايى با موتورهاى دى سى و ساختمان درونى آنها

موتورهاي براشلس

نمونه ای از چند موتور براشلس

مواتورهای براشلس کلیاتش همانند موتورهایDC  معمولیه ولی دیگه براش نداریم. در موتور های دی سی معمولی به دلیل داشتن جاروبک  نمیتوان جریان زیادی به جاروبک ها اعمال کرد.چون باعث سوختن براش ها می شود. ولی این محدودیت در موتورهای براشلس نیست. در شکل زیر یک موتور بدون جاروبک را می بینید.

نمونه ای از یک موتور براشلس

اجزاي داخلي موتور براشلس را درشكل زير مي بينيد.

اجزای داخلی یک موتور براشلس

نحوه عملكرد موتور

outrunner motor

چرخش موتورهاي براشلس هم به نحوه برقدار كردن سيم پيچ هاي آن باز مي گردد. جريان متناوب روي سيم پيچ هاي آن باعث تغيير قطبيت سيم پيچ ها و چرخش مي شود.

به دو روش مي توان اين موتورها را كنترل كرد:

1- Back EMF

يعني با اندازه گيري ولتاژ روي سيم پيچي كه برقدار نيست. به انيميشن بالا دقت كنيد و ميبينيد كه هر بار يكي از سيم پيچ ها برقدار نيست و تغيير مي كند و ما ولتاژ اين سيم پيچ بدون برق را مدنظر قرار مي دهيم. موتورهای براشلس رو اصطلاحا  موتورهای سه فاز هم می نامند. دو تاسیم که برای جریان استفاده میشه و یکی هم كه بدون برق است برای فیدبک به کار برده می شود.

2- Hall Effect Sensors

در موتورهای براشلس نوع جديد از سنسورهاي اثر هال با خروجی آنالوگ  یا دیجیتال جهت تعیین موقعیت آهنربا استفاده می شود.

کاربرد سنسور اثر هال در موتور براشلس برای اندازه گیری موقعیت آهنربای دایمی

مزايا:

1-قابل اعتماد

2-پرسرعت

3-بازده بالا

معايب:

1-كنترل سخت

2-شروع با بار كم

3-نياز به گيربكس در درايوهاى خاص

استپر موتور ( موتورهای پله ای)

نمونه ای از چند موتور پله ای

استپر موتورها، موتورهاي بسيار عالي براي كنترل موقعيت هستند. این موتورها را می توان در پرینترهای سه بعدی، CNC و کلیه تجهیزاتی که نیاز به اندازه گیری دقیق موقعیت دارند یافت. استپرها یک قسمت خاص از موتورهای براشلس هستند. این موتورها برای با گشتاور زیاد ساخته می شوند تا در پیشروی مرحله به مرحله با دقت خوبی جلو روند که دیگر نیازی به انکودر نباشد. ساخت و کارکرد استپرموتورها بسیار آسان است.

در شکل زیر اجزای داخلی یک استپر موتور را می بینیم.

اجزای داخلی یک موتور پله ای

شکل زیر انیمیشن عملکردی استپر موتور را نشان می دهد.

step pic

نحوه کار استپر موتورها همانند موتورهای براشلس است با این تفاوت که به قسمت های کوچکتری تقسیم شده است. تغییر در جریان سیم پیچ ها باعث چرخش درجه به درجه آن می شود. در شکل زیر می بینید که طراحی آهنربای دایمی با قسمت های ریز برای پیشروی های کوچک مشکل است و هزینه ساخت آن را بالا می برد.gear

برای کنترل آن هم باید با مفاهیم اندوکتانس و سیم پیچ آشنا باشید.

مزایا:

1- دقت عالی در موقعیت

2- گشتاور بالا

3- قابلیت اطمینان بالا

4- سایزهای استاندارد

معایب:

1- محدود بودن سرعت به دلیل گام های کوچک آهنربا

2- حذف و در رفتن از موقعیت در سرعت های بالا

3-جریان زیاد

موتورهای خطی

linear

موتورهای خطی موتورهای آینده هستند که همه جا را خواهند گرفت. در تمامی موتورهای بالا ما از حرکت دورانی استفاده می کردیم و موتور به صورت دورانی میچرخید ولی در موتورهای خطی حرکت به صورت خطی است و این یعنی اینکه سیستمی با حجم کمتر و بازده بالاتر. نگهداری از موتورهای خطی آسان است و چون فقط یک قطعه حرکت می کند قابلیت اطمینان بالایی دارند. این موتورها سرعتی بالایی دارند و در هنگام کار با آنها باید مراقب بود.

در انیمیشن زیر نحوه کارکرد این موتور را می بینیم. دقت کنید که قطب های همنام آهنرباها روبروی هم قرار می گیرند و باعث دفع همدیگر می شوند.

موتور خطی

مکانیزم کارکرد موتورهای خطی همانند موتورهای براشلس است. برای درک بهتر کافیه یک موتور براشلس رو بگیرید و بدنه استوانه ای شکل اون رو با اره و چکش صاف کنید تا مثل ریل بالا بشه بعدش قسمت داخلی رو مشابه بالا حرکت بدید. قسمت حرکت کننده بالا تنها قسمتی است که در موتور خطی حرکت می کند. در اینگونه موتورها از انکودر و دیگر ماژول ها برای موقعیت درست استفاده می شود

مزایا:

1- قابل اعتماد

2- سرعت بالا

3- بازده بالا

4- بدون نیاز به تبدیل سرعت دورانی به خطی

معایب:

1-گران

2- نیازمند به کنترلر های معمول

3- برای هر سیستمی نوع خاصی باید طراحی شود